生物工程设备 萃取和色谱分离1

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1、第九章萃取与色谱分离设备 萃取与色谱分离设备 萃取分离原理及设备溶剂萃取双水相萃取萃取操作过程及设备离子交换分离原理及设备离子交换树脂及其分离原理离子交换设备及计算 吸附分离原理及设备吸附分离原理吸附操作及设备色谱分离原理及设备色谱分离原理色谱分离操作条件及设备色谱分离过程的放大 生化下游加工过程可分为4个阶段 1 发酵液的预处理和固液分离2 产物提取3 产物精制4 成品加工 第一节萃取分离原理和设备溶剂萃取操作是将一种溶剂加入料液中 使溶剂和料液充分混合 则欲分离的物质能较多的溶解在溶剂中 并与剩余料液分层 从而达到分离的目的萃取分离的实质是利用欲分离组分在溶剂中与原料液中溶解度的差异来实现

2、 萃取分离原理及设备 静置分层 振荡萃取 含Ni2 水溶液 水相 氨性缓冲液 pH9 丁二酮肟萃取剂加入CHCl3有机相 萃取过程 1混合 澄清式萃取 混合 澄清式萃取器 Mixer settler 最常用的液液萃取设备 2多级错流接触萃取 多级错流接触过程 3多级逆流接触萃取 将多个混合 澄清器单元串联起来 分别在左右两端的混合器中连续通入料液和萃取液 使料液和萃取液逆流接触 即构成多级逆流接触萃取 逆流型多级萃取方式 4液滴逆流分配法 利用混合物中各成分在两液相间分配系数的差别 由流动相形成液滴 通过作为固定相的液体柱而达到分离纯化的目的 其装置示意图见2 7 影响萃取操作的因素主要有萃取

3、剂 此外包括乳化 盐析 带溶剂等 萃取剂的选择要求萃取能力强 分离程度高 一般相似相溶 的范围 一方面影响选择性 另一方面又影响分配系数其次还应选择在产物稳定的范围内 温度的确定 防止温度过高造成生物铲平的不稳定 适度提高温度以提高分配系数 盐析 带溶剂 去乳化的作用 二双水相萃取 双水相系统 aqueoustwo phasesysten ATPS PEG 聚已二醇 polyethyleneglycol Kpi 磷酸钾 DX 葡聚糖 dextran 1 Pro如何分布2 影响因素3 应用 萃取分离原理及设备 双水相萃取 aqueoustwo phasepartitioning ATPP 双水相

4、萃取原理双水相萃取原理 基于物质在双水相体系中的选择性分配 双水相体系 某些有机物之间或有机物与无机盐之间 在水中以适当的浓度溶解后形成互不相溶的两相或多相水相体系 常用生物分离的双水相体系 PEG Dextran系列和PEG 无机盐系列 双水相体系在生物分离的应用 用于蛋白质 酶 核酸 菌体 细胞 细胞器以及氨基酸 抗生素等生物小分子物质的分离 纯化 双水相萃取 ATPP 双水相萃取方法 萃取分离原理及设备 两级双水相萃取酶的流程 萃取操作过程及设备 萃取分离原理及设备 液 液萃取设备应包括三部分 混合部分 分离部分和溶剂回收设备 混合设备混合罐 喷射式混合器 萃取操作过程及设备 萃取分离原

5、理及设备 分离设备 管式离心机 碟式离心机 萃取操作过程及设备 萃取分离原理及设备 离心萃取机 萃取操作过程及设备 萃取分离原理及设备 离心萃取机 多级离心萃取机 Luwesta三级离心萃取机 立式连续逆流离心萃取机 LavalABE 216离心萃取机 萃取操作过程及设备 萃取分离原理及设备 离心萃取机 ABE 216离心萃取机轻重液走向示意图 三相倾析式离心机结构 倾析式离心萃取机 萃取操作过程及设备 萃取分离原理及设备 离心萃取机 三 超临界流体萃取的基本原理 超临界流体萃取的原理主要是根据超临界流体对物质有很强的溶解能力 且改变温度或压力即可改变流体的密度 粘度和扩散系数 流体对物质的溶

6、解特性也随之改变 因此 可将不同性质的成分分段萃取或分步析出 达到萃取分离的目的 超临界流体萃取的基本流程 南通市华安超临界萃取有限公司 北京超流萃取技术研究所 美晨集团股份有限公司 北京天安嘉华超临界科技发展有限公司 云南亚太致兴生物工程研究所 1 德国伍德公司 美国SupercriticalProcessingInc P 3 E 5 压缩机 萃取釜 制冷MVC 760L 二氧化碳循环泵 超临界萃取技术的应用 四 离子交换分离原理及设备 离子交换树脂及其分离原理离子交换树脂的分类及合成离子交换树脂的理化性能离子交换机理及选择性离子交换装置及再生离子交换设备及计算离子交换设备的结构离子交换设备

7、的计算 离子交换树脂的分类 依据活性基团分类 阳离子交换树脂 阴离子交换树脂 螯合树脂 两性交换树脂 强酸型 弱酸型 交换基为酸性 H 与阳离子交换 SO3H COOH OH pH 2 pH 6 使用pH范围 pH 10 交换基为碱性 阴离子发生交换 强碱型 弱碱型 N CH3 3Cl N H3OH N H2ROH N HR2OH pH 12 pH 4 含有特殊螯合基团的树脂 电子交换树脂 含有氧化还原功能基团 交换反应 阳离子交换树脂 阴离子交换树脂 水合作用 螯合交换树脂 离子交换树脂的性能参数 交联度 交换容量 表征骨架性能的参数 表征活性基团的性能参数 是指交联剂在反应物中所占的质量分

8、数 交联度大 树脂孔隙 交换反应速度 选择性 小 慢 高 交联度小 树脂孔隙 交换反应速度 选择性 大 快 低 氨基酸的分离 交联度8 多肽的分离2 4 每克干树脂所能交换的物质的量 mmol 决定于网状结构中活性基团的数目 交换容量由实验测得 请设计一个测定强碱型阴离子交换树脂容量的方法 离子交换亲合力 离子交换树脂与电解质溶液接触时发生离子交换反应 K 选择性系数 也叫分离因素 可以推导得 衡量树脂对离子的亲和力的大小的参数 离子交换机理及选择性 离子交换机理 B A 薄膜 离子交换过程包括5步 1 A 自溶液扩散到树脂表面 2 A 从树脂表面扩散到树脂内部的活性中心 3 A 在活性中心发

9、生交换反应 4 解吸离子B 自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面 5 B 从树脂表面扩散到溶液 Sampleapplicationandwash Elution Equilibration Regeneration 离子交换机理及选择性 离子交换机理 强酸型阳离子交换树脂分离示例 Cl K Na Ag 的分离 K 亲和力 H Na K Ag 交换反应 Na K Ag 前一状态 洗脱 淋洗曲线 离子交换机理及选择性 离子交换过程的选择性离子的水化半径离子的化合价溶液的酸碱度交联度 膨胀度和分子筛树脂与交换离子之间的辅助力有机溶剂的影响 应用 氨基酸的分离 阳离子交换树脂 用pH递增的柠檬酸盐缓冲溶

10、液洗脱侧链pKa增大的氨基酸 蛋白质 酶 核酸等生物活性物质的分离 纯化和富集 离子交换装置及再生 离子交换装置 离子交换装置及再生 再生方式 料液 再生液 处理液 废液 顺流再生 料液 再生液 处理液 废液 逆流再生 离子交换装置及再生 再生方式 离子交换装置及再生 再生操作 交换 动画演示 离子交换装置及再生 再生操作 混合床再生的操作过程 具有多孔支持板的离子交换罐 圆筒体的高径比一般为2 3 树脂层高度约为圆筒高度的50 70 1 视镜2 进料口3 手口4 液体分布器5 树脂层6 多孔板7 尼龙层8 出液口 具有块石支持层的离子交换罐 1 进料口2 视镜3 液位计4 树脂层5 卵石层6

11、 出液口 被交换溶液进口 淋洗水 解吸液及再生剂进口 废液出口 分布器 分布器 淋洗水 解吸液及再生剂出口 反洗水进口 反吸附离子交换罐 扩口式离子交换器 混合床交换罐制备无机盐的流程 筛板式连续离子交换设备 漩涡式连续离子交换设备 离子交换设备的计算 罐体积 罐体积Vt 罐高径比一般取Hi D 2 3 交换设备的放大 1 根据交换罐负荷相同的原则放大 2 根据交换罐中溶液空塔流速相同的原则放大 3 溶液通过床层的压力降 五 吸附分离原理及设备 吸附分离机理 吸附法是利用合适的吸附剂 在一定的操作条件下 使发酵液中的产物被吸附在固定吸附剂的内外表面上 再以适当的解吸剂将产物从吸附剂上解吸下来

12、从而达到分离浓缩的目的 吸附分离原理及设备 吸附剂的选择 吸附剂按其化学结构可分为两大类 一类是有机吸附剂 如活性炭 球形炭化树脂 聚酰胺 纤维素 大孔树脂等 另一类是无机吸附剂 如白土 氧化铝 硅胶 硅藻土等 吸附操作及设备 1 搅拌罐内的吸附操作2 固定床吸附 六 色谱现象 CaCO3固定相 石油醚流动相 ColumnChromatography 实验室规模空柱装柱示范录像 色谱分离设备 玻璃色谱分离柱 色谱法分类 按分离机理吸附色谱法 物质在固体表面吸附能力不同 排阻色谱法 分子大小不同 分配色谱法 在气 液或液 液两相KD不同 离子交换色谱法 离子交换能力不同 按分离方法液相色谱法 流

13、动相是液体 柱色谱法 CC 薄层色谱法 TLC 纸色谱法 PC 高效液相色谱法 HPLC 离子色谱法 IC 等 气相色谱法 流动相是气体 GC填充柱色谱 GSC 毛细管柱色谱 GLC 薄层色谱和纸色谱 凝胶色谱法 超临界色谱 高效毛细管电泳 工业规模的色谱分离流程 色谱分离设备 带热夹套分离柱 反转式分离柱 KTAexplorer KTApurifier KTAFPLC 色谱分离设备 气相色谱 流动相为气体 称为载气 按分离柱不同分为 填充柱色谱和毛细管柱色谱按固定相的不同又分为 气固色谱和气液色谱 气相色谱仪器 液相色谱仪 液相色谱仪 液相色谱流程及主要部件 组件及过程 A色谱柱 colum

14、n B固定相 stationaryphase C流动相 flowphase D洗脱液 elution E检测器 detector F部分收集器 portioncollector 主要部件 1 高压输液泵 梯度淋洗装置 外梯度 利用两台高压输液泵 以一定速度改变多种溶剂的配比淋洗 目的是分离多组容量因子相差较大的组分 内梯度 一台高压泵 通过比例调节阀 将两种或多种不同极性的溶剂按一定的比例抽入高压泵中混合 2 在线脱气装置在线脱气 超声脱气 真空脱气等 O2 N2 CO2 3 进样装置 通常使用耐高压的六通阀进样装置 4 高效分离柱 要求柱效高 柱容量大和性能稳定 柱性能与柱结构 填料特性 填

15、充质量和使用条件有关 5 高效液相色谱检测器 紫外光度检测器 UV 最常用的检测器 Resolution thepowertoseparatepeaks MaximumnumberofpeaksinRPC 150 01020ml Maximumnumberofpeaksingelfiltrationca15 Remember wearenotpurifyingpeaks butproteins peptides 离子交换色谱法 主要用于分离分析离子或可离解化合物 可用于分离分析氨基酸 核酸和蛋白质等 能同时分析多种离子 特别对于阴离子的分离分析 在各种仪器分析方法中堪称首选方法 离子色谱仪 离

16、子色谱仪器 淋洗液 泵 色谱柱 检测器 泵液 分离 检测 记录 进样阀 抑制器 检测池 进样 离子色谱连续抑制装置图 抑制器的作用 废液 阴离子抑制器 抑制器的作用 淋洗液 Na2CO3 分析柱 HF HCI H2SO4inH2CO3 NaF NaCl Na2SO4inNa2CO3 废液 H2O 不经过抑制 对离子 S 时间 S 时间 经过抑制 废液 H2O H Na 12943 样品F CI SO42 F SO42 CI F SO42 CI 负极 正极 OH 实验室层析和大规模层析的分别 实验室 大规模生产 分辨率越多峰越好要求纯度种类提高分辨率纯度定性增加增加样品量产量 生产力 峰越少越好 上样速度不注重最大样品处理速度次 h生产力 g ml胶 h 线性放大 固定以下条件 1 相同线行流速2 相同缓冲液3 相同填料4 相同柱高5 相同样品浓度和pH6 相同样品体积和柱床体积比例7 相同梯度体积和柱床体积比例放大 1 柱直径2 体积流速3 上样体积 3 色谱分离过程的放大即在生产率和纯度维持不变的情况下增加生产能力 解决办法 增加分离柱中的溶液流量 要维持产品纯度不变则需要分离柱中各